3

Теория относительности

Теория относительности - это такая интересная штука, согласно которой для каждой точки Вселенной время своё, в каждой точке Вселенной наблюдатель видит мир по-своему. Можно сказать, что каждый человек видит свою версию Вселенной и мы не видим всё одновременно из-за ограниченности скорости света. В данном видео объясняется пример как разные люди увидят события в разной последовательности. Очень интересно, посмотрите.

Дубликаты не найдены

+2

не могу посмотреть, пишу из-за светового конуса.

0
Нафик смотреть...все уже в прошлом)))))
0

Ну это очевидно было и так. Мы все живем в прошлом.

Похожие посты
35

Демон Максвелла | [Невозможные изобретения]

В древние времена самым простым, а иногда и единственным способом для достижения чего-либо невозможного человек считал обращение к помощи потусторонних сил.


Позже, вместе с бурным развитием наук появилась надежда, что технологический прогресс поможет устранить необходимость привлечения сверхъестественного для решения насущных проблем.


Но ведь потребности человека фактически не удовлетворимы, а границы желаемого расширяются намного быстрее, пределов достижимого.


Поэтому даже ученые иногда прибегают к помощи демонов, особенно когда им необходимо бросить вызов какому-нибудь фундаментальному научному закону. Например, второму началу термодинамики, неумолимая суровость которого, теоретически когда-нибудь приведет к концу своего существования всю нашу Вселенную.


И вот, примерно полтора века назад, чтобы обойти этот закон Джеймс Клерк Максвелл призвал демона, которого теперь все так и называют - «демон Максвелла».


Правда «демоном» его назвал другой знаменитый ученый - Уильям Томсон, которого в свою очередь королева Виктория в благодарность за заслуги перед короной нарекла «бароном Кельвином», именем, под которым он с тех пор и известен всему миру.


Кстати, Томсон в 1851 году и сформулировал одно из определений второго закона термодинамики, который в его интерпретации звучит следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого является получение системой теплоты от одного источника (теплового резервуара) и выполнение ею эквивалентного количества работы.


При этом Томсон опирался на исследования Сади Карно, который в 1824 году в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», посвящённой паровым машинам, первым сформулировал идею, заложившую основу для понимания второго начала термодинамики:

при отсутствии разности температур теплота не может быть преобразована в работу; для постоянного производства работы тепловой машине необходимо иметь по крайней мере два тепловых резервуара с различными температурами — нагреватель и холодильник.

Но и здесь, если говорить о названиях, не все просто и однозначно. На самом деле, исторически первая формулировка закона и его определение «вторым началом термодинамики» принадлежат Рудольфу Клаузиусу.


Более того, понятие энтропии, её обозначение и название тоже были введены Клаузиусом в 1865 году.


Хотя, когда речь заходит об энтропии, большинство в первую очередь вспоминает Людвига Больцмана.

Энтропия - степень упорядоченности системы.

И раз речь, наконец, дошла до энтропии, то самое время вернуться к нашему демону.


Итак, «демон» впервые появился в письме, которое Максвелл написал Питеру Гатри Тейту 11 декабря 1867 года в виде описания мысленного эксперимента, гипотетически позволяющего нарушать второй закон термодинамики. Позже он снова появился в письме Джону Уильяму Стратту в 1871 году, и только потом он был окончательно представлен публике в книге Максвелла 1872 года по термодинамике под названием «Теория тепла».


В своих письмах и книгах Максвелл описывал агента, открывающего дверь между комнатами, как «определенное существо» ("finite being"). Как уже упоминалось, Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, первым использовавший слово «демон» для концепции Максвелла в журнале Nature в 1874 году, на самом деле имел в виду посредническую, а не злобную коннотацию этого слова.

Согласно описанию Максвелла суть его мысленного эксперимента состоит в следующем:

представим себе герметичный контейнер, разделенный на две одинаковые части A и B газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца. В начале опыта обе половины заполнены газом определенной температуры. Как известно температура вещества зависит от средней скорости движения молекул в нем, но при этом отдельные молекулы двигаются с разной скоростью - есть быстрые и медленные молекулы. Задача «демона» состоит в том, чтобы распознавать и отслеживать быстрые и медленные молекулы, и открывать дверцу в нужный момент, чтобы молекулы с высокой кинетической энергией переходили из секции от A в секцию B, а молекулы с низкой кинетической энергией из B в A. Таким образом, он без затрат работы поднимет температуру секции B и понизит температуру секции A, что противоречит второму закону термодинамики.
При этом тепловая машина, работающая между секциями A и B, могла бы извлечь полезную работу из этой разницы температур.

Но это было бы слишком здорово, практически прямой путь к созданию вечного двигателя.


Все надежды на привлечение «демона Максвелла» к такому нужному делу были развеяны в 1929 году Лео Сцилардом. Сцилард обратил внимание на то, что реальный демон Максвелла должен иметь какие-то средства измерения молекулярной скорости и что получение информации тоже потребует затрат энергии. Поскольку демон и газ взаимодействуют, следует учитывать общую энтропию газа и демона вместе взятых. Расход энергии демоном вызовет увеличение энтропии демона, которое будет больше, чем понижение энтропии газа.


Звучит исчерпывающе! Казалось бы, вопрос закрыт? Снова «невозможное изобретение»!


И да, и нет.


Да – такое изобретение воплотить невозможно. Но, нет - вопрос не закрыт до сих пор.

Поскольку нарушение законов физики, в отличие от прочих законов, не грозит перспективой наказания, а вот на премию типа Нобелевской нарушитель вполне может рассчитывать, то желающих представить миру свою версию демона Максвелла превеликое множество.

Только за последнее десятилетие было предпринято несколько эффектных попыток.


В 2010 году мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из университетов Тюо и Токийского университета.

Демон Максвелла | [Невозможные изобретения] Демон Максвелла, Парадокс, Второй закон термодинамики, Физика, Энтропия, Больцман, Вселенная, Видео, Длиннопост

Японцы создали два связанных шарика полистирола диаметром 0,3 микрометра каждый. Один был прикреплен на поверхности стекла, а второй шарик-ротор мог вращаться вокруг первого.


Установку при этом заполняла жидкость. Её молекулы хаотично подталкивали шарики, создавая эффект броуновского движения. Поэтому, ротор мог вращаться с равной вероятностью, как по направлению часовой стрелки, так и против.


Авторы добавили слабое электрическое поле, которое создавало крутящий момент. Это был аналог лестницы, по которой шарик мог «взбираться», увеличивая потенциальную энергию. Иногда молекулы толкали ротор против действия поля (на подъём), а иногда в сторону поля (прыжок по ступенькам вниз). Но в целом ротор вращался туда, куда его толкало внешнее поле.

Но вот физики добавили «демона» — высокоскоростную камеру, наблюдающую за шариком, и компьютер, управляющий полем. Каждый раз, когда ротор в броуновском движении делал шаг против поля, компьютер сдвигал последнее так, что шарик мог повернуться, но когда ротор пытался вращаться обратно, поле блокировало его.


Так был создан аналог открываемой и закрываемой демоном Максвелла дверцы: ротор увеличивал свою энергию за счёт теплового движения молекул.


Законов природы, впрочем, установка не нарушает, поскольку для работы «демона» (то есть камеры, системы коррекции напряжения) необходима энергия. Но японцы подчёркивают, что данный опыт впервые на практике доказал реальность так называемого теплового насоса – варианта «демона Максвелла», теоретически обоснованного Лео Сцилардом в 1929 году. Такая машина извлекает энергию из изотермической окружающей среды и преобразует её в работу.

Демон Максвелла | [Невозможные изобретения] Демон Максвелла, Парадокс, Второй закон термодинамики, Физика, Энтропия, Больцман, Вселенная, Видео, Длиннопост

В 2016 году Физики из Финляндии, России и США создали электронную версию замкнутого (автономного) демона Максвелла. «Система» представляет собой одноэлектронный ящик, подключенный к внешнему потенциалу. Демон следит за зарядом на коробке. (Слева) Если электрон (синий) входит в ящик, демон немедленно захватывает его, прикладывая положительный заряд. (Справа) Если электрон покидает ящик, демон отталкивает его, прикладывая отрицательный заряд. Это электронный эквивалент того, как демон открывает или закрывает дверь для быстрых и медленных частиц в оригинальном мысленном эксперименте Максвелла.

Демон Максвелла | [Невозможные изобретения] Демон Максвелла, Парадокс, Второй закон термодинамики, Физика, Энтропия, Больцман, Вселенная, Видео, Длиннопост

В 2018 году физики в США упорядочили систему из 50 помещенных в трехмерную оптическую ловушку атомов цезия с помощью реального аналога демона Максвелла, уменьшив при этом энтропию системы почти в 2,5 раза.


В оптической ловушке атомы захватываются с помощью двух поляризованных лазеров, которые создают периодический удерживающий потенциал.


В результате ученым удавалось получить практически полностью заполненные подрешетки: средний коэффициент их заполнения составлял 0,97 и 0,95. Вероятность получить подрешетку без пустых мест - 32 процента и 27 процентов для подрешеток 5×5×2 и 4×4×3 соответственно.

Демон Максвелла | [Невозможные изобретения] Демон Максвелла, Парадокс, Второй закон термодинамики, Физика, Энтропия, Больцман, Вселенная, Видео, Длиннопост

6 апреля 2020 года в журнале Physical Review B была опубликовано исследование, описывающее созданную учеными систему из двух квантовых точек с одноэлектронными переходами для оценки термодинамических характеристик демона Максвелла с учетом информации и возвратного действия измерений.


Они продемонстрировали возможность преобразования тепла в работу за счет информации и получили кривые зависимостей тепла и мощности от запирающего напряжения и степени туннелирования.


Это только самые удачные и поэтому самые нашумевшие эксперименты последних лет по созданию демона Максвелла.


Не стоит сомневаться, что попытки обмануть природу при содействии ловкого демона будут продолжаться и дальше до тех пор, пока они либо увенчаются успехом, либо вся Вселенная достигнет термодинамического равновесия…

Тепловая смерть Вселенной, также Большое замерзание - гипотеза, выдвинутая Р. Клаузиусом в 1865 году на основании экстраполяции второго начала термодинамики на всю Вселенную.

Интересно, что случится раньше?

Показать полностью 4
2034

Что будет, если упасть в чёрную дыру?

UPD: в комментариях имеется много критики в адрес поста

---

Наверняка вы полагаете, что если упадете в чёрную дыру, то вас ждет мгновенная смерть. Но в действительности, как полагают физики, ваша судьба будет куда более странной. В будущем такое может произойти с кем угодно. Может, вы пытаетесь найти новую обитаемую планету для человеческой расы или просто уснули в долгом пути. Что будет, если вы упадете в чёрную дыру? Можно было бы ожидать, что вас перемелет или разорвёт. Но всё не так просто.

В момент, когда вы войдёте в чёрную дыру, реальность будет разделена на две части. В одной вы будете немедленно уничтожены, а в другой погрузитесь в чёрную дыру совершенно невредимым.

Что будет, если упасть в чёрную дыру? Черная дыра, Космос, Вселенная, Наука, Длиннопост, Теория относительности, Квантовая механика

Чёрная дыра — это место, в котором известные нам законы физики не работают. Эйнштейн учил нас, что гравитация искривляет само пространство, деформирует его. Поэтому если взять достаточно плотный объект, пространство-время может стать настолько кривым, что завернется само в себя, проделав отверстие в самой ткани реальности.

Массивная звезда, которая исчерпала топливо, может обеспечить чрезвычайную плотность, необходимую для создания этого деформированного участка пространства. Прогибаясь под собственным весом и коллапсируя, массивный объект затягивает с собой и пространство-время. Гравитационное поле становится настолько мощным, что его не может покинуть даже свет, чем обрекает область, в котором находится эта звезда, на мрачную судьбу: чёрная дыра.


Внешней границей чёрной дыры является её горизонт событий, точка, в которой сила гравитации противодействует попыткам света покинуть ее. Подойдите слишком близко и возврата уже не будет.

Горизонт событий пылает энергией. Квантовые эффекты на этой границе создают потоки горячих частиц, утекающих обратно во Вселенную. Это так называемое излучение Хокинга, названное в честь физика Стивена Хокинга, который предсказал его существование. По истечении достаточного времени чёрная дыра испарит свою массу полностью и исчезнет.

Погружаясь в чёрную дыру, вы обнаружите, что пространство становится все более искривлённым, пока в самом центре не станет изогнутым бесконечно. Это сингулярность. Пространство и время перестают иметь хоть какой-нибудь смысл, и законы физики, известные нам, которые нуждаются в пространстве и времени, больше не работают.

Что будет, если упасть в чёрную дыру? Черная дыра, Космос, Вселенная, Наука, Длиннопост, Теория относительности, Квантовая механика

Что происходит в сингулярности? Никто не знает. Другая вселенная? Забвение? Мэтью Макконахи плавает по ту сторону книжных полок? Загадка.

Что же произойдет, если вы случайно упадете в одну из этих космических аберраций? Сначала спросим вашего космического напарника — назовем её Анна — которая с ужасом смотрит, как вы плывёте по направлению к чёрной дыре, в то время как она остаётся на безопасном расстоянии. Она наблюдает странные вещи.


Если вы ускоряетесь по направлению к горизонту событий, Анна видит, как вы растягиваетесь и искажаетесь, словно она смотрит на вас через гигантскую лупу. Кроме того, чем ближе вы подходите к горизонту, тем больше ваши движения замедляются.

Вы не можете крикнуть, поскольку воздуха в космосе нет, но можете попытаться сигнализировать Анне сообщение Морзе светом своего iPhone (даже приложение есть для этого). Однако ваши слова будут достигать ее все медленнее и медленнее, поскольку световые волны растягиваются до все более низких и красных частот: «Хорошо, х о р о ш о, х о р о…».


Когда вы достигнете горизонта, Анна увидит, что вы замёрзли, словно кто-то нажал кнопку паузы. Вы отпечатаетесь там, обездвиженный и вытянутый по всей поверхности горизонта, когда нарастающее тепло начнёт вас поглощать.


По мнению Анны, вас медленно стирает растяжение пространства, остановка времени и тепло излучения Хокинга. Перед тем как погрузиться в темноту чёрной дыры, вы превратитесь в пепел.


Но прежде чем начинать планировать похороны, давайте забудем об Анне и посмотрим на эту жуткую сцену с вашей точки зрения. И знаете, что тут происходит? Ничего.

Что будет, если упасть в чёрную дыру? Черная дыра, Космос, Вселенная, Наука, Длиннопост, Теория относительности, Квантовая механика

Вы плывете прямиком в самое зловещее проявление природы и не получаете ни шишки, ни синяка — и уж точно не растягиваетесь, не замедляетесь и не поджариваетесь на излучении. Потому что находитесь в свободном падении и не испытываете гравитации: Эйнштейн назвал это «самой счастливой мыслью».


В конце концов, горизонт событий — это не кирпичная стена, плавающая в пространстве. Это артефакт перспективы. Наблюдатель, который остается вне чёрной дыры, не может видеть сквозь него, но это не ваша проблема. Для вас горизонта не существует.


Если бы чёрная дыра была меньше, у вас были бы проблемы. Сила гравитации была бы гораздо сильнее у ваших ног, чем у вашей головы, и растянула бы вас как спагетти. Но к счастью для вас это большая черная дыра, в миллионы раз массивнее Солнца, так что силы, которые могли бы вас спагеттифицировать, достаточно слабы, чтобы их можно было проигнорировать.


Более того, в достаточно большой чёрной дыре вы могли бы прожить остаток своей жизни, а после умереть в сингулярности.

Что будет, если упасть в чёрную дыру? Черная дыра, Космос, Вселенная, Наука, Длиннопост, Теория относительности, Квантовая механика

Насколько нормальной эта жизнь будет, большой вопрос, учитывая что вас засосало против вашей воли в разрыв в пространственно-временном континууме и обратного пути нет.

Но если задуматься, нам всем знакомо это чувство, по опыту общения не с пространством, но со временем. Время идет только вперед, никогда назад, и засасывает нас против нашей воли, не оставляя шанса на отступление.


Это не просто аналогия. Чёрные дыры искажают пространство и время до такого экстремального состояния, что внутри горизонта событий чёрной дыры пространство и время на самом деле меняются ролями. В действительности, именно время засасывает вас в сингулярность. Вы не можете развернуться и уйти из черной дыры точно так же, как не можете развернуться и уйти обратно в прошлое.

В этот момент вы спросите себя: что не так с Анной? Если вы прохлаждаетесь внутри черной дыры, будучи окруженным пустым пространством, почему ваш напарник видит, как вы сгораете в излучении на горизонте событий? Галлюцинации?

Что будет, если упасть в чёрную дыру? Черная дыра, Космос, Вселенная, Наука, Длиннопост, Теория относительности, Квантовая механика

На самом деле, Анна пребывает в полном здравии. С её точки зрения вы действительно сгорели на горизонте. Это не иллюзия. Она даже могла бы собрать ваш пепел и отправить его домой.

На самом деле, законы природы требуют, чтобы вы оставались за пределами чёрной дыры, как это видно с точки зрения Анны. Это потому что квантовая физика требует, чтобы информация не пропадала, не терялась. Каждый бит информации, который говорит о вашем существовании, должен оставаться за пределами горизонта, чтобы законы физики Анны не нарушались.


С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы вы плыли через горизонт, не сталкиваясь с горячими частицами или чем-то из ряда вон выходящего. В противном случае, вы будете нарушать «самую счастливую мысль» Эйнштейна и его общую теорию относительности.

Итак, законы физики требуют, чтобы вы одновременно были снаружи чёрной дыры в виде горстки пепла и внутри чёрной дыры, живы и здоровы. И есть также третий законы физики, который говорит, что информация не может быть клонирована. Вы должны быть в двух местах, но может быть только одна копия вас.

Так или иначе, законы физики приводят нас к выводу, который кажется довольно бессмысленным. Физики называют эту головоломку информационным парадоксом чёрной дыры. К счастью, в 1990-х они нашли способ её разрешить.

Что будет, если упасть в чёрную дыру? Черная дыра, Космос, Вселенная, Наука, Длиннопост, Теория относительности, Квантовая механика

Леонард Сасскинд пришёл к выводу, что парадокса нет, поскольку никто не видит вашу копию. Анна видит только одну копию вас. Вы видите только одну свою копию. Вы и Анна никогда не сможете их сопоставить (и свои наблюдения тоже). И нет третьего наблюдателя, который мог бы одновременно наблюдать чёрную дыру изнутри и снаружи. Так что никакие законы физики не нарушаются.

Но вы наверняка хотели бы узнать, чья же история правдива. Мёртвы вы или живы? На самом деле правды здесь нет. Тот вы, который смотрит на мир от первого лица, жив. Вы, который остался на горизонте чёрной дыры и превратился в пепел, мёртв. Происходит расщепление реальности, где в одной вас уже нет.

Есть такие явления, где нет истины; каждый воспринимает её по-своему.

Например, вы можете полететь в параллельный мир, где проживёте всего пару дней, а потом обратно вернётесь на Землю. Вернувшись, обнаружите, что все ваши близкие и знакомые уже давно ушли из жизни, и привычный вам мир в той или иной степени изменился. Вы отправились в параллельную вселенную, когда на Земле был 2024 год, а вернулись в 2088 году, хотя, казалось бы, прошло всего несколько дней.

Да, для вас действительно прошло всего пару дней, но на Земле этот самый промежуток времени протекал иначе, у вас он протекал значительно медленнее, но от этого суть не меняется: время у всех одно, но протекает везде по разному. В вашей вселенной это время воспринималось как многие года, а вы в параллельной вселенной воспринимали это время как какие-то там три-четыре денька, и в отличии от ваших тогдашних знакомых ваш организм состарился на эти самые три или четыре дня, но не на больше. Вернувшись обратно, вы можете посчитать, что оказались в будущем, и отчасти это действительно так. Вы вернётесь молодым и здоровым, и эти 64 года на Земле для вас были несколькими днями в параллельном мире.

Летом 2012 года физики Ахмед Альмейри, Дональд Марольф, Джо Полчински и Джеймс Салли, коллективно известные как AMPS, задумали мысленный эксперимент, который грозил перевернуть все, что мы насобирали о чёрных дырах. Они предположили, что решение Сасскинда основано на том, что любое несоответствие между вами и Анной опосредовано горизонтом событий. Не имеет значения, увидела ли Анна неудачную версию вас, растерзанных излучением Хокинга, поскольку горизонт не позволяет ей увидеть другую версию вас, плавающую в чёрной дыре.

Но что, если бы у нее был способ узнать, что было по ту сторону горизонта, не пересекая его?

Обычная относительность скажет «ни-ни», но квантовая механика немного размывает правила. Анна могла бы заглянуть за горизонт, используя небольшой трюк, который Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии».

Это происходит, когда два набора частиц, разделенных в пространстве, загадочным образом «запутаны». Они являются частью единого невидимого целого, поэтому информация, которая их описывает, загадочным образом связывается между ними.
Что будет, если упасть в чёрную дыру? Черная дыра, Космос, Вселенная, Наука, Длиннопост, Теория относительности, Квантовая механика

Идея AMPS основана на этом явлении. Скажем, Анна зачерпывает немного информации у горизонта — назовём ее А.

Если её история верна, и вы уже отправились в мир получше, тогда А, зачерпнутая в излучении Хокинга за пределами чёрной дыры, должна быть запутана с другой частицей информации B, которая также является частью горячего облака излучения. С другой стороны, если верна ваша история и вы живы и здоровы по другую сторону горизонта событий, то А должна быть запутана с другой частицей информации C, которая находится где-то внутри чёрной дыры. Но вот момент: каждый бит информации можно запутать лишь единожды. Из этого следует, что А может быть запутана либо с B, либо с C, но не одновременно с обеими.

Итак, Анна берёт свою частицу A и помещает ее в ручную машину декодирования запутанности, которая выдает ей ответ: B или C.

Если ответ C, побеждает ваша история, но законы квантовой механики нарушаются. Если A запутана с C, которая глубоко внутри в чёрной дыре, тогда эта частица информации потеряна для Анны навсегда. Это нарушает квантовый закон невозможности потери информации.


Остается B. Если декодирующая машина Анны обнаруживает, что А запутана с B, Анна побеждает и общая теория относительности проигрывает. Если А запутана с B, история Анны будет единственной верной историей, из чего следует, что вы на самом деле сгорели дотла. Вместо того, чтобы плыть прямо через горизонт, как подсказывает относительность, вы столкнетесь с пылающей стеной огня. Таким образом, мы возвращаемся к тому, с чего начали: что происходит, когда вы падаете в черную дыру? Вы скользите через нее и живете нормальной жизнью, благодаря реальности, которая странным образом зависит от наблюдателя? Или вы подходите к горизонту чёрной дыры только чтобы столкнуться со смертельной стеной огня?

Никто не знает ответ, и поэтому этот вопрос стал одним из самых спорных в области фундаментальной физики.

Более ста лет физики пытаются примирить общую теорию относительности с квантовой механикой, полагая, что одной из них придётся в конечном счёте уступить. Решение парадокса вышеупомянутой стены огня должно указать на победителя, а также привести нас к еще более глубокой теории Вселенной.


Одна из подсказок может лежать в машине декодирования Анны. Выяснить, какой из других битов информации запутан с A, является чрезвычайно сложной задачей. Поэтому физики Даниэль Харлоу из Принстонского университета в Нью-Джерси и Патрик Хейден, работающий в Стэнфордском университете в Калифорнии, решили разобраться, сколько времени потребуется на декодирование. В 2013 году они подсчитали, что даже при самом быстром компьютере, который только может существовать, Анне потребуется невероятно много времени, чтобы расшифровать запутанность. К моменту, когда она найдёт ответ, чёрная дыра уже давно испарится, исчезнет из Вселенной и заберёт с собой загадку смертельной стены огня.

Если это так, то одна только сложность этой проблемы может помешать Анне выяснить, чья же история верна. Обе истории останутся в равной степени верными, законы физики — нетронутыми, реальность — зависящей от наблюдателя, и никто не подвергнется опасности быть поглощенным стеной огня. Это также дает физикам новую пищу для размышлений: дрязнящие связи между сложными вычислениями (вроде тех, которые не может провести Анна) и пространством-временем. Возможно, где-то здесь скрывается нечто большее.

Таковы черные дыры. Они не только являются досадными препятствиями для космических путешественников. Они также являются теоретическими лабораториями, которые доводят законы физики до белого каления, а тонкие нюансы нашей Вселенной выводят на такой уровень, что проигнорировать их уже нельзя.

Что будет, если упасть в чёрную дыру? Черная дыра, Космос, Вселенная, Наука, Длиннопост, Теория относительности, Квантовая механика

Благодарю всех за прочтение данного поста🌌

Основная информация взята отсюда:

https://hi-news.ru/eto-interesno/chto-budet-esli-upast-v-che...

Показать полностью 7
133

Неизвестная частица обнаружена в ЦЕРН

Неизвестная частица обнаружена в ЦЕРН Наука, Церн, Физика, Кварки, Вселенная, Кварк

дин из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

Коллаборация LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) нашла новый тип четырехкварковой частицы, которую никогда не видели раньше. Открытие было представлено на недавнем семинаре в ЦЕРН, также о нем рассказывается в статье на сайте препринтов arXiv. Это открытие поможет ученым понять кварки — фундаментальные частицы Стандартной модели Вселенной.

Обычно они объединяются в группы по двое (кварк — антикварк) или трое, чтобы сформировать протоны и нейтроны. Более крупные частицы считаются экзотическими, однако ученые давно предполагают, что они могут состоять из четырех или пяти кварков (так называемые тетракварки и пентакварки). В последние годы эксперименты, проводимые в Большом адронном коллайдере (БАК), подтверждают существование таких адронов. Они идеально подходят для изучения сильного ядерного взаимодействия — одной из четырех фундаментальных сил Вселенной, которая связывает друг с другом протоны, нейтроны и ядра атома.

«Частица, которую мы только что обнаружили, первая, состоящая из тяжелых кварков одного и того же типа: двух очарованных кварков и антикварков, — говорит представитель LHCb Джованни Пассалева. — До сих пор LHCb и другие эксперименты фиксировали только тетракварки максимум с двумя тяжелыми кварками, и ни один из них не имел более двух кварков одного и того же типа».

Для поиска новых тетракварков Tcccc команда LHCb рассчитала их возможную массу и изучала данные, полученные на детекторе в периоды первого и второго запусков БАК в 2009-2013 и 2015-2018 годах. Она обнаружила два скачка энергии в диапазоне 6900 и 6400-6600 мегаэлектронвольт. При попытке описать полученные результаты ученые нашли более пяти стандартных отклонений в промежутке 6200-7400 мегаэлектронвольт. Этого достаточно, чтобы заявить об открытии новой частицы. Кроме того, такие скачки соответствуют массе Tcccc. «Эта частица уникальна — экзотический адрон, содержащий четыре кварка вместо двух или трех в обычных частицах материи, и первый, содержащий тяжелые кварки», — говорят ученые.

Пока

не ясно, является ли новая частица «истинным тетракварком», то есть системой из

плотно связанных четырех кварков, или она состоит из двух обычных пар. В любом

случае новая частица поможет теоретикам протестировать модели квантовой

хромодинамики, которая описывает сильное взаимодействие частиц. Авторы

собираются продолжить исследования во время третьего запуска LHCb, в марте 2021 года.

Показать полностью
198

Если реликтовое излучение теряет мощность со временем и увеличивает длину волны, то через какое время оно совсем исчезнет?

Вследствие расширения Вселенной, свет, путешествуя по ней, постоянно увеличивает свою длину волны. На масштабах галактики это практически неощутимо, но реликтовое излучение идёт через всю вселенную на протяжении уже 13,7 млрд лет, за это время оно перешло из видимого и ультрафиолетового диапазонов в радиодиапазон. Со временем длины волн реликтового излучения будут возрастать, а его энергия будет уменьшаться, но исчезнуть полностью оно не может за всё время жизни Вселенной. Далее всё зависит от будущей судьбы Вселенной: если она будет вечно расширяться или в какой-то момент перейдёт к сжатию, то реликтовое излучение в ней не исчезнет. Если же Вселенная будет расширяться с ускорением и верным окажется сценарий Большого Разрыва, то в сам момент разрыва длина волны реликтового излучения, как и любого другого, станет бесконечной, а энергия его фотонов -- нулевой, что, по сути, будет означать исчезновение реликтового излучения, но одновременно с этим перестанет существовать и наша Вселенная. Современные оценки говорят, что Большой Разрыв может произойти через 20-30 млрд лет.

2267

Памяти ученого Олега Верходанова

Сегодня увидел пост о смерти Олега Верходанова, и слёзы навернулись на глаза. Я его знал только из многочисленных видео в ютубчике, где он рассказывал о вселенной, о космологии и о том, какие методы используют ученые, чтобы понять больше о мироздании.

По его рассказам и подаче материала, у меня сложилось о нём мнение, как о человеке, который живёт наукой, всецело посвящая себя ей.



Хочу показать вам некоторые из его лекций и интервью, которые мне сильно зашли.

В каком-то интервью кто-то хотел спросить про реликтовое излучение, на что Олег перебил его:

-О, реликтовое излучение, я о нём часами могу говорить! Моя любимая тема!

P.S.

Прощай Олег Васильевич, я не знал тебя лично, но ты навсегда оставил на моем мировосприятии неизгладимый отпечаток. Спасибо тебе большое. Покойся с миром

Показать полностью 2
148

Найдем ли мы когда-нибудь во Вселенной темную материю?

Найдем ли мы когда-нибудь во Вселенной темную материю? Наука, Физика, Темная материя, Материя, Вселенная, Длиннопост

Вполне вероятно, что в ранней вселенной присутствовали другие формы материи, о которых мы пока не имеем представления. В таком случае наша вселенная, возможно, расширялась совсем не так, как мы себе представляли, считает автор, рассказывая о безуспешных попытках уловить темную материю.

Космология достигла впечатляющих успехов. Исследования, проведенные учеными за прошедшие десятилетия, позволили человечеству реконструировать в мельчайших подробностях историю становления нашей вселенной. Нам известно, — и сейчас мы увереннее можем это утверждать, — как именно вселенная развивалась на протяжении большей части своей истории и в силу каких причин. Теперь вселенная стала более понятной для нас, чем прежде.


И все-таки кое-что осталось за гранью понимания. Несмотря на все наши старания, мы так и не можем до сих пор объяснить некоторые явления во вселенной. И, возможно, самая известная из этих тайн — темная материя. Используя современные методы, ученые с высокой точностью определили количество всей материи во вселенной и, как оказалось, оно намного превосходит обычную материю, существующую в виде атомов. После обширной научной дискуссии, длившейся на протяжении нескольких десятилетий, ученые пришли к следующему выводу: бóльшая часть (т. е. около 84%) материи во вселенной состоит отнюдь не из атомов или каких-либо других известных видов материи, а из чего-то другого, причем оно не излучает, не отражает свет и не поглощает его. За неимением лучшего мы называем это загадочное нечто «темной материей». Однако назвать — не значит понять.


Десять лет назад многим специалистам в области космологии, включая меня, вдруг подумалось, что у нас, наконец, появилась неплохая гипотеза о сущности темной материи. Выдвинутые нами аргументы базировались на том, что темная материя образовалась в течение первых долей секунды после Большого взрыва. По нашим расчетам, общее количество частиц темной материи, образовавшихся в ранней Вселенной, которая затем пережила Большой взрыв, должно зависеть от степени взаимодействия этих частиц между собой и с обычными формами материи. Основываясь на проведенных нами расчетах, мы пришли к выводу, что это взаимодействие темной материи должно осуществляться посредством так называемого слабого ядерного взаимодействия или какой-то другой неизвестной еще силы, равномощной слабому взаимодействию. Мы назвали такие частицы Вимпами (от англ. WIMP «weakly interacting massive particles» — слабовзаимодействующие массивные частицы — прим. редакции ИноСМИ), и они стали лучшим кандидатом на роль частиц темной материи.

Если темная материя действительно состоит из Вимпов, то у нас должна быть возможность проводить эксперименты, которые могли бы непосредственно обнаруживать и измерять отдельные частицы темной материи. С этой целью небольшой коллектив физиков начал создавать сверхчувствительные детекторы для обнаружения темной материи; ученые стали размещать их в глубоких подземных лабораториях, укрыв их от космического излучения. В то время казалось, что шансы довольно велики, и данный подход приведет к открытию. Словом, в 2005 году я держал пари, что частицы темной материи будут обнаружены в течение десяти лет. И это пари я, увы, проиграл. С технической точки зрения эксперименты были выполнены превосходно. Но ожидаемых результатов ученые не получили. Но, оказалось, что и это еще полбеды. Выяснилось, что Большой адронный коллайдер, который начал свою работу как раз в те времена, не обнаружил никаких признаков темной материи. Из проведенных экспериментов мы узнали, что темная материя — вопрос гораздо более сложный, чем нам думалось.

Наша неспособность обнаружить частицы темной материи оказала ощутимое влияние на научное сообщество. Не исключаю, что мы находимся где-то в двух шагах от решения проблемы. Однако, большинство из тех, кто сегодня занимается темной материей, признает, что многие из наших любимых кандидатов на роль темной материи уже давно должны были быть обнаружены, но этого не случилось. Все это заставило ученых обратить внимание на новые, подчас противоречащие друг другу, гипотезы, что привело к появлению большого числа теоретических работ, связанных с темной материей и ее природой.

Согласно одной из популярных гипотез, появившихся недавно, темная материя может состоять не из одного, а из нескольких видов частиц, из которых сформирован так называемый «скрытый сектор». Далее, частицы скрытого сектора, могут взаимодействовать, в основном, только друг с другом, а с прочими известными формами материи — практически никогда. Именно этот факт объясняет, почему их так трудно обнаружить в экспериментах, проводимых в подземных условиях, или получить на Большом адронном коллайдере. Эти частицы, формирующие скрытый сектор, вполне могли появиться в ранней вселенной и вступать в очень сложные взаимодействия под действием сил, о которых мы не имеем представления. Физики, изучающие элементарные частицы, предлагают множество теорий, в которых взаимодействие между различными видами скрытой материи явилось условием непрерывного образования темной материи на стадии ранней вселенной. На самом деле физикам было несложно выдвигать подобные теории, объясняющие сущность скрытого сектора.

Другая гипотеза касается не столько темной материи как таковой, сколько пространства, которое она занимала в первые доли секунды после Большого взрыва. При использовании уравнений общей теории относительности для расчета скорости расширения пространства мы учитываем все известные формы материи и энергии, включая все виды частиц, которые мы наблюдали на Большом адронном коллайдере. Но вполне вероятно, что в ранней вселенной присутствовали другие формы материи, о которых мы пока не имеем представления. В таком случае наша вселенная, возможно, расширялась совсем не так, как мы себе представляли. И если ранняя вселенная расширялась с иной скоростью, нежели предполагали ученые (т.е. если она расширялась быстрее или медленнее), то и взаимодействие частиц темной материи на протяжении этой эпохи было иным и, следовательно, другим было количество оставшегося вещества, которое называют темной материей.


Для описания процесса расширения и развития вселенной, который происходил в течение первой секунды после Большого взрыва, мы можем выдвигать множество разных гипотез. Вполне возможно, что скорость расширения увеличилась благодаря воздействию каких-то неизвестных форм материи и энергии. А может быть, на скорость расширения повлияли какие-то еще более неожиданные факторы, проявившиеся в самые первые мгновения после взрыва. Быть может, в самом начале, в течение своей первой секунды, вселенная внезапно расширилась на какой-то миг, или в какой-то момент пережила резкий фазовый переход. А может, все было по-другому: возможно, существует какая-то разновидность частиц, которые при распаде нагревали вселенную, тем самым изменив ее эволюцию. Гипотезы здесь можно выдвигать самые разные. И все они могли бы пролить свет на процесс формирования темной материи и на первые мгновения жизни нашей вселенной. Если бы ученые узнали, что именно произошло тогда, то наши представления о сущности темной материи почти наверняка изменились бы, и нам сразу стало бы ясно, какие эксперименты следует провести, чтобы ее обнаружить. Быть может, в этом случае нам удастся ответить на вопрос, почему темная материя так долго остается неуловимой.

Замечательные результаты, полученные при проведении экспериментов на подземных детекторах, предназначенных для улавливания темной материи, и на Большом адронном коллайдере, заставили космологию пересмотреть свои постулаты. Судя по всему, темная материя сильно отличается от самых распространенных представлений о ней. Неуловимость темной материи заставила нас отказаться от множества столь дорогих нашему сердцу теорий и перейти к выдвижению принципиально новых гипотез относительно этой субстанции и условий, в которых она сформировалась в первые мгновения после Большого взрыва.


Стремясь постичь природу темной материи, мы надеемся не только обнаружить частицы этой субстанции, из которой состоит бóльшая часть материи во вселенной, но и узнать о самых первых мгновениях истории вселенной. В этом смысле темная материя позволяет нам подступиться к описанию Большого взрыва. Я не сомневаюсь, что самые первые мгновения этого грандиозного события содержат ключ к неразгаданному и неведомому. Однако вселенная строго охраняет свои тайны. Сможем ли мы эти тайны постичь, — все это будет зависеть от нас.


Дэн Хупер — старший научный сотрудник Национальной лаборатории ускорителей им. Энрико Ферми и профессор астрономии и астрофизики Чикагского университета. Он автор книги «На краю времени: исследуя тайны первых секунд нашей Вселенной» (At the Edge of Time: Exploring the Mysteries of Our Universe's First Seconds).


Источник: https://inosmi.ru/amp/science/20200103/246444210.html

Показать полностью
1276

Почему замедляется время вблизи массивных планет?

Всем привет, это шестая часть обзора книги Стивена Хокинга «Кратчайшая история времени».

И сегодня мы будем пытаться понять, что же такое общая теория относительности и почему вблизи планет стрелки часов замедляются. Если тыкнуть на хокинга повыше, ещё и мультик покажут.

Общая теория относительности основана на революционном предположении что гравитация – это не обычная сила, а лишь следствие того что пространство-время не является плоским. В этой теории пространство-время искривляется любым помещённым в него предметом имеющим массу или энергию. И тела помещённые в такое пространство следуют не по круговым орбитам. Они следуют по особым линиям, которые называются геодезические. Это аналог прямых в искривлённых пространствах. Не пытайтесь сейчас это представить. Ибо мы вообразить такое не можем, наш разум ограничен тремя измерениями.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

Мы можем лишь провести аналогию с двумерным искривлённым пространством. Обычная плоскость – это пример двумерного пространства. А поверхность земли – это двумерное искривлённое пространство. Примером геодезической линии на поверхности земли – является, например, экватор. Вообще в искривлённых пространствах, геодезическая линия – это такая линия, которая определяется как кратчайшее (или наоборот самое длинное) расстояние между двумя точками. Допустим, вы решили отправиться из Москвы в Магадан. Вы можете двинуться по компасу почти строго на восток и пройти расстояние примерно 6088 км, либо двинуться по искривлённому пути и пройти всего 5921 км. На плоской карте, как вы можете видеть, геодезическая линия практически соответствует полуокружности. Т.е. если представлять поверхность земли как плоскость, то нужно двигаться по сектору, но если посмотреть на этот же путь со сторону третьего измерения, то полуокружность превращается в линию.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

В общей теории относительности тела всегда следуют по геодезическим линиям в четырехмерном пространстве-времени. В отсутствие материи эти прямые линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют прямым линиям в трехмерном пространстве. В присутствии материи четырехмерное пространство-время искажается, вызывая искривление траекторий тел в трехмерном пространстве.


Нечто подобное можно представить, если вообразить траекторию движения спутника пролетающего мимо планеты по прямой. Несмотря на то, что спутник двигается прямо, его проекция на поверхности планеты, будет двигаться по искривлённой траектории, напоминающей окружность.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

Расхождения общей теории относительности с законами Ньютона хоть и очень малы, но всё же есть. Особенно они заметны для планет ближе всего расположенных к солнцу. В частности для меркурия. Практическое подтверждение этих расхождений, было одним из первых доказательств общей теории относительности, для Меркурия расхождения были замечены ещё в 1915 году.


Второе волшебное свойство, вытекающее из общей теории относительности – это отклонение траектории света от прямой линии, под действием гравитации. Лучи света, тоже вынуждены двигаться по геодезическим линиям.


Ну и самое невероятное предположение – замедление течения времени около массивных тел, например нашей планеты. Вспомним что Эйнштейн в 1905 году выдвинул постулат что все законы физики протекают одинаково, для всех свободно-движущихся наблюдателей. Грубо говоря, принцип эквивалентности, общей теории распространяет это правило и на тех наблюдателей, которые движутся не свободно, а под действием гравитационного поля. В рамках нашего ролика, отбросив сложности, можно сказать так: в достаточно малых областях пространства невозможно судить о том, пребываете ли вы в состоянии покоя в гравитационном поле или движетесь с постоянным ускорением в пустом пространстве.


Что это означает простыми словами. Представьте, что вы находитесь в лифте посреди пустоты. Лифт неподвижный, нет ни верха ни низа. Он просто висит в пустоте. И вот он начинает двигаться с постоянным ускорением. Вы ощущаете вес, одна из стенок лифта превращается в пол. И если вы уроните яблоко – оно упадёт на пол ровно так же, как если бы вы находились на земле. Эйнштейн понял, что, подобно тому как, находясь в вагоне поезда, вы не можете сказать, стоит он или равномерно движется, так и, пребывая внутри лифта, вы не в состоянии определить, перемещается ли он с постоянным ускорением или находится в однородном гравитационном поле. Результатом этого понимания и стал принцип эквивалентности.


Теперь мы готовы перейти к другому мысленному опыту. Представьте что мы находимся на борту огромной, летящей в космосе, ракеты. Для простоты вообразим, что ракета настолько большая, что свету требуется целая секунда, чтобы пересечь её сверху донизу. Ну и в ракете у нас будут два наблюдателя. Один в носу ракеты, другой в самом низу, у двигателей. У обоих наблюдателей есть совершенно одинаковые часы, ведущие отсчёт секунд.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

Верхний наблюдатель, дождавшись тиканья часов часов, даёт сигнал нижнему наблюдателю, а спустя ровно секунду, ещё один. Нижний наблюдатель зарегистрирует эти сигналы с таким же интервалов времени, какой был у верхнего – одна секунда.


А теперь предположим, что наша ракета ускоряется. Поскольку корпус ракеты двигается вверх, то свету требуется пройти меньшее расстояние до низа ракеты, и второй наблюдатель получит сигнал раньше чем через секунду. Если бы ракета двигалась с постоянной скоростью, то и второй сигнал прибыл бы ровно настолько же раньше. Так что интервал между двумя сигналами остался бы равным одной секунде. Но в момент отправки второго сигнала благодаря ускорению ракета движется быстрее, чем в момент отправки первого, так что второй сигнал пройдет меньшее расстояние, чем первый, и затратит еще меньше времени. Наблюдатель внизу, сверившись со своими часами, зафиксирует, что интервал между сигналами меньше одной секунды, и не согласится с верхним наблюдателем, который утверждает, что посылал сигналы точно через секунду.


Именно этот принцип и лежит в основе изменения хода часов у разных наблюдателей при ускоренном движении.


В случае с ускоряющейся ракетой этот эффект, вероятно, не должен особенно удивлять. В конце концов, мы только что его объяснили! Но вспомните: принцип эквивалентности говорит, что то же самое имеет место, когда ракета покоится в гравитационном поле. Следовательно, даже если ракета не ускоряется, а, например, стоит на стартовой площадке на поверхности Земли, сигналы, посланные верхним наблюдателем с интервалом в секунду (согласно его часам), будут приходить к нижнему наблюдателю с меньшим интервалом (по его часам). Вот это действительно удивительно!


Подобно тому как специальная теория относительности говорит нам, что время идет по-разному для наблюдателей, движущихся друг относительно друга (об этом можешь почитать в предыдущем посте/посту), общая теория относительности объявляет, что ход времени различен для наблюдателей, находящихся в разных гравитационных полях. Согласно общей теории относительности нижний наблюдатель регистрирует более короткий интервал между сигналами, потому что у поверхности Земли время течет медленнее, поскольку здесь сильнее гравитация. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект. Законы движения Ньютона положили конец идее абсолютного положения в пространстве. Теория относительности, как мы видим, поставила крест на абсолютном времени.


Кстати для нас - людей тоже верен данный принцип. Он известен как парадокс близнецов. Если один из близнецов живёт на вершине горы, а второй у подножия, то первый будет стареть немного быстрее второго. Потому что для второго близнеца, гравитационное поле немного сильнее, а следовательно время течёт медленнее. На нашей планете, это расхождение ничтожно мало, но оно существенно увеличится, если один из близнецов отправится в долгое путешествие на космическом корабле, который разгоняется до скорости, близкой к световой. Когда странник возвратится, он будет намного моложе брата, оставшегося на Земле.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

До 1915 года, люди воспринимали время как нечто абсолютное и не изменяемое, но Эйнштейн перевернул всё с ног на голову. Время стало вдруг динамической переменной, которое может меняться в зависимости от наших действий. Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят. За сто лет прошедших со времени открытия общей теории относительности человечество радикальным образом пересмотрело свои взгляды на картину мироздания. Как именно ты узнаешь в следующих роликах.

Показать полностью 4
993

Лженаука в СПб!

18-19 мая, в культурной столице России - Санкт-Петербурге, состоится "выступление" лжефизика Катющика В.Г. Он "опроверг" Ньютона, Хокинга, Эйнштейна, Ландау и многих других! Уровень идиотизма на квадратный метр будет зашкаливать. Приходите, не пожалеете!

https://www.sci-tribunal.org/  И все это мракобесие будет проводится от имени Хакасского Технического Института.


А если серьезно, вопрос: нельзя ли этому как то законно воспрепятствовать?

112

Чёрные дыры и краш-тест общей теории относительности

Чёрные дыры и краш-тест общей теории относительности Yes Future, Теория относительности, Альберт Эйнштейн, Черная дыра, Физика, Длиннопост

Сегодня астрономы Европейской Южной Обсерватории собираются представить миру первую в истории фотографию горизонта событий (проще говоря границы) черной дыры Стрелец А. Этот объект хоть и находится в самом центре нашей галактики Млечный путь, но от Земли до него целых 25 000 световых лет.

Событие достаточно громкое — вероятно, теория относительности на массивных объектах будет подтверждена или опровергнута.

В каком-то смысле чёрные дыры всё ещё объекты гипотетические. Но астрономы практически не сомневаются в их реальности — получено огромное количество косвенных доказательств их существования. Сфотографировать чёрную дыру (да и вообще увидеть) невозможно — эти объекты поглощают всё электромагнитное излучение. А это значит, что ни радиотелескоп, ни оптический не могут её увидеть.

Но чёрные дыры “выдаёт” их окружение. Их гравитация притягивает пыль и газ, поэтому на границе черной дыры материя образует аккреционный диск. Атомы там двигаются с невероятной скоростью. На таких скоростях материя настолько раскаляется, что начинает излучать рентгеновское и другие мощные излучения.

Учёные из Европейской южной обсерватории обещают нам показать тень чёрной дыры. По форме тени чёрной дыры, можно будет определить расходится ли теория гравитации с реальным положением дел.

Если тень будет иметь заранее смоделированную форму, то это будет означать, что общая теория относительности вблизи чёрной дыры сохраняется. А вот самые небольшие отклонения покажут, что теория гравитации Эйнштейна имеет определённые оговорки.
Это создаёт огромный простор для физиков теоретиков для создания новых теорий, в которые впишется поведение чёрных дыр.

Можно сказать происходит самый сумасшедший краш-тест во Вселенной. На кон поставлено будущее современной физики.

Официальный доклад учёных начнётся сегодня в 17:00 по московскому времени.
Ссылка на трансляцию:
https://www.youtube.com/watch?v=Dr20f19czeE&feature=youtu.be

Как думаешь, мы на пороге новых открытий?

Чёрные дыры и краш-тест общей теории относительности Yes Future, Теория относительности, Альберт Эйнштейн, Черная дыра, Физика, Длиннопост
Показать полностью 1
608

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики.

Этот пост мотивирован к написанию большей частью благодаря твёрдой уверенности отдельных продвинутых физик-кунов из числа пикабушников в … теории относительности. Если точнее не в самой теории, а её роли в современной физике. Итак, о священных коровах.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Большинство из нас в общих чертах представляет теорию относительности как достаточно заумную фигню, в которой лучше не разбираться, дабы не сломать мозг. При этом основные положения теории про скорость света, релятивистские эффекты и прочие плюшки принимаются как данное, то есть то, с чем лучше не спорить или до чего лучше не докапываться. Ибо понабегут, докопаются и засмеют, если не зачмырят. Тем не менее, суть самой теории, её центральная идея остаётся непонятой в той же степени, в какой непонятым остаётся оператор дивергенции из высшей математики. А ведь по сути и то и другое – не нечто сверхсложное. Я бы сказала даже наоборот – весьма и весьма простые вещи заложены в основу «великих» теорий.


Итак, кратенько, суть теорий относительности.


Хотя в одном из пердыдущих постов уже писала, повторюсь. Откуда ноги растут: электромагнитные волны. Все. Радио, микроволновки, радары, видимый свет, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Всё, что имеет электромагнитную природу и поддаётся описанию волновой природы. Мы знаем, что волна – это колебание. Колебание чего-то, колебание какой-либо среды. Звук – колебание молекул воздуха, морские волны – колебания воды, а электромагнитные… А кстати, что колеблется в электромагнитной волне? Какая среда получает изменяющиеся мгновенные значения электрического и магнитного поля, чтобы получилась волна? «А вот хрен знает, но это очень интересный вопрос!», подумали в своё время учёные и стали искать ответ.


Сначала придумали эфир. Некую субстанцию, пронизывающую всё, и способную передавать электромагнитные волны. Придумать-то придумали, а ведь его ещё найти надо. Искали. Не нашли. Ну нет эфира. Мало того, что его нет, так у электромагнитных волн ещё одну фишку нашли: они распространяются с одной и той же скоростью. Всегда. Независимо от того, двигается ли источник или нет. Как бы мы не мерили скорость. Как бы не двигались при этом сами и как бы быстро не двигался источник, скорость света всегда будет одна и та же. Нет сложения скоростей! Ньютоновская механика идёт в жопу, заставляя физиков не по детски охреневать плакать от бессилия.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Вот тут то на сцену выходит знаменитый еврей и рассказывает всем правду со своими догадками. Оказывается, на самом деле всё выглядит так, будто время в разных системах отсчёта идёт по-разному. Если система отсчёта движется, то время в ней замедляет течение. И как бы мы в этой системе не пытались измерить скорость света, замедление времени даст нам результат, равный той же константе с, которую мы получили бы, не двигаясь никуда. (Маленькое уточнение: с – максимальная скорость любых взаимодействий, в том числе электромагнитных)


Первая главная идея – идея специальной теории относительности: нет никакой общей системы отсчёта. У каждого – своя. Системы отсчёта не равны. Именно в этом суть идеи: всё относительно. События, движение, процессы, взаимодействия - всё что угодно происходит и измеряется относительно чего-то. Относительно того, кто измеряет, например. Да, системы отсчёта равнозначны, в них действуют одни и те же законы, действуют одинаково, но сами системы не равны друг другу.


Вторая главная идея – идея общей теории относительности: нет никакой гравитации, это всё искривление пространства. Все гравитационные взаимодействия – следствия влияния инерционной массы на пространство рядом с ней. Нет воздействия одного тела на другое посредством гравитации, это пространство искривляется так, что одно тело "притягивает" другое (и наоборот). Наличие массы даёт геометрическое искажение пространства. Прямая линия нихрена не прямая, нам только кажется.


Это самая суть, если в двух абзацах. Теперь к ошибкам.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Первая, самая распространённая ошибка. Теория относительности (и общая и специальная) – это не теория, объясняющая причины наблюдаемых явлений. По сути – это математическая модель, набор уравнений, позволяющих просчитать то или иное наблюдаемое явление. Например, релятивистское изменение массы или времени. Уравнения основаны на наблюдениях за явлениями и лишь описывают их. Сама по себе механика явлений для ТО не доступна. Когда я спрашиваю, почему время в движущейся системе отсчета замедляется, мне в ответ приводят формулу релятивистского замедления времени. Но разве время смотрит на эту формулу, говорит «О! Чуть помедленнее, кони!» и затем изменяет свой бег? Что именно заставляет процессы замедляться? Почему это происходит?

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Теория относительности на этот вопрос ответа не даст.


Вторая по распространённости, но первая по важности ошибка. Теория описывает наблюдаемые процессы. Все эффекты, которые ей предсказываются/наблюдаются в действительности можно описать фразой «выглядит так, как будто…» и дальше соответствующее математическое выражение. Однако «выглядит как будто» и «на самом деле так» - это две большие разницы. В случае с теорией относительности данный момент вообще принципиален. Например, из уравнения релятивистского замедления времени следует, что на скорости света время просто останавливается. Для света времени нет. Фотон не знает о времени, которое затратил на свой полёт. Так утверждает теория. Но так ли это на самом деле? Если бы для фотона время не существовало само по себе, мы бы его не наблюдали. Действительно, остановка времени означает запрет на все процессы взаимодействия, ибо они происходят во времени. Фотон не поглощался бы веществом и не замедлял свою скорость в среде – ведь для него не существует времени, он «не знает» где распространяется.


Повторюсь на всякий: теория относительности отлично описывает эффекты, но не стоит распространять её дальше положенного.


Третья ошибка, связанная со второй: постулаты теории относительности справедливы для неё.

Любой постулат нужен для того, чтобы на него можно было опираться при построении теории. Как правила в игре: используя их, мы можем посмотреть, до какого итога доиграемся. В любой теории постулаты используются для того же – на основе их посмотреть, что получится в итоге. Какие математические модели, какие уравнения.

Однако как только мы меняем саму игру, глупо следовать в ней правилам старой игры. Кое-что можно, конечно, заимствовать, но тогда это будет не новая игра, а обновлённая старая. Если мы хотим новую теорию, тогда постулаты старой надо рассматривать не как незыблемые правила для новой.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

В качестве ярчайшего примера могу привести непреодолимость скорости света как следствие постулата одинаковости её в разных системах отсчёта. Мы знаем, что двигаться со скоростью выше скорости света нельзя. «Нельзя и всё тут». А иначе энергия+масса движущегося тела становится мнимой (из уравнения коэффициента Лоренца), время вообще ведёт себя хрен знает как и вся математика разваливается. Цимес кроется как раз в двух последних словах: математика разваливается. Но математика – это следствие наблюдения, закон, имитирующий явления. Это не причина для физического процесса. С другой стороны, природа даёт нам прозрачнейшие подсказки существования движения на сверхсветовых скоростях, пусть и в слегка необычном варианте.


Смотрите на звёзды. На самые дальние структуры типа квазаров, протогалактик и так далее. Всё, что мы наблюдаем, находится в радиусе примерно 13,2 млрд. св. лет от нас. Дальше мы не видим, просто не можем. Но то, что мы видим – история развития вселенной – показывает нам далёкое прошлое. То, что происходило как раз те самые 13,2 млрд. лет назад. Возникает вопрос: свет шёл к нам 13,2 млрд. лет, значит уже тогда, давным-давно, где-то там, далеко-далеко уже что-то было. Но как же большой взрыв? Он ведь произошёл в достаточно ограниченной области. Как вещество успело преодолеть за очень-очень короткое время колоссальное расстояние в 13,2 млрд. св. лет, чтобы потом начать нам светить? Значит, скорость движения этого вещества была выше скорости света?

Была. Во много-много раз больше. И для некоторого вещества она по сей день остаётся гораздо большей, чем скорость света. Мы ни за что не увидим это вещество, если не научимся перемещаться быстрее света сами. В чём секрет? Вещество перемещается вместе с расширением пространства.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

На скорость расширения пространства нет ограничения в виде максимальной скорости взаимодействий. Оценочные размеры вселенной не 13,2 млрд. св. лет, а все 49,5 (нет, уважаемые пикабушники, с вашими 49,5 см. это не связано).

Можно сказать, что сверхсветовое перемещение как вариант классического варпа был реализован нашей вселенной на самом раннем этапе развития и продолжает существовать до сих пор. Причём, чем дальше (и во времени и в пространстве) – тем быстрее будет этот варп.


Четвёртая ошибка: теория относительности небезгрешна.


Здесь имеется в виду внутренняя непротиворечивость, которая просто таки положена любой хорошей физической теории. В ТО внутренних противоречий достаточно, чтобы не воспринимать её как абсолютно верную даже в собственных рамках.

Один из примеров я уже приводила в предыдущем посте: так называемая гравитационная сингулярность. По сути, это такое явление, которое должно наблюдаться при очень-очень больших массах (но в действительности не наблюдается, хотя массы есть). Если мы берём ну очень большую массу, она искажает пространство настолько, что кривизна его по расчётам становится бесконечной. А что такое бесконечная кривизна в ТО? Бесконечное ускорение. Это значит, что любое тело за любой сколь угодно малый промежуток времени приобретает скорость выше скорости света.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

В целом обе теории относительности оказались весьма важны для развития физики и построения уже более глубоких теорий всего, так что заслуги их я ни в коей мере не умаляю. Просто будьте аккуратнее в суждениях.


Ну а напоследок предлагаю выбрать тему для следующего поста:


Почему скорость света такая, какая есть.


В чём суть теории струн (М-теории) и каково её место в физике.


Непустое «пустое» пространство – вакуум.


Применение ландшафта теории струн при проектировке гиперсветовых двигателей.


Спасибо, мы не нуждаемся в ваших услугах.


зы: баянометр поворчал на картинки, но не сильно.

Показать полностью 6
743

Физика

Физика Физика, Аристотель, Галилео, Ньютон, Квантовая физика, Теория относительности, Учебник, Альберт Эйнштейн

Аристотель сказал кучу неправильных вещей. Галилей и Ньютон все починили. Потом Эйнштейн снова все сломал. Теперь мы почти все поняли, кроме маленьких вещей, больших вещей, горячих вещей, холодных вещей, быстрых вещей, тяжелых вещей, темных вещей, турбулентности, и понятия времени.

189

Что значит m в формуле E = mc^2

Продолжение.
Часть 1
Часть 2
Часть 3

Атом водорода имеет меньшую массу, чем сумма масс отдельно взятых протона и электрона. Мы знаем это точно, иначе бы в нашей Вселенной не было бы звёзд, потому что именно благодаря этому «дефекту массы» и возможны ядерные и термоядерные реакции, однако, как может что-то иметь массу меньшую, чем сумма масс его составных частей?

Разумеется, из за этого:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Давайте посмотрим, что же на самом деле означает самое знаменитое уравнение в истории физики.

Это уравнение было опубликовано А. Эйнштейном 27 апреля 1905 года в работе под названием «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», где заключается: « … если тело отдаёт энергию L в виде излучения, его масса уменьшается на L/c² ». Иными словами, в оригинале, уравнение имело вид:

m = L/c²

(в оригинальной работе Эйнштейи использовал для энергии обозначение L)
Русский перевод здесь, всего 3 странички, можно осилить.

Эйнштейн использовал такую запись, потому что краеугольным камнем современной физики является понимание того, что такое масса.

Мы часто слышим утверждения вроде масса – одна из форм энергии, или масса – «замороженная» энергия, или (в наихудшем виде) масса может быть преобразована в энергию. На самом деле ни одно из данных утверждений не верно на 100%.

Чтобы понять, что же именно значит E = mc², давайте рассмотрим явления, которые не укладываются в наше повседневное и обыденное представление о массе.

Вот, к примеру, одно из них: если два объекта состоят из абсолютно идентичных составных частей, данные объекты не обладают идентичной массой.

(a + b + c) ≠ (b + c + a)

Масса чего-либо созданного из более мелких составных частей не является суммой масс этих частей:

m1 ≠ ma + mb + mc
m2 ≠ ma + mb + mc

Общая масса составного объекта зависит во-первых, от того, как составные части расположены по отношению друг к другу, во-вторых – от того, как они двигаются внутри данного объекта.

Вот конкретный пример: представьте себе пару заводных механических часов, чьё строение идентично до атомной структуры. Единственная разница между ними – то, что пружина в одних часах взведена, и часы идут, а пружина вторых часов расслаблена, и часы стоят. Согласно Эйнштейну, масса тикающих часов больше, потому что шестерёнки и стрелки находятся в движении и их кинетическая энергия больше. Кроме того, пружина в этих часах заведена и имеет большую потенциальную энергию. Между движущимися деталями этих часов возникает трение, которое их слегка нагревает, и атомы, из которых состоят эти часы, двигаются более интенсивно. Тепловая энергия – это та же кинетическая энергия атомов, из которых состоят наши часы.

Так что же говорит нам уравнение E = mc²? То, что вся тепловая, кинетическая и потенциальная энергия часов добавляется к их массе. Мы просто складываем всю эту энергию, делим на скорость света в квадрате и получаем ту «лишнюю» массу, которая добавилась к идущим часам.

Так как величина скорости света в квадрате – астрономически огромное число, полученное нами значение даст прибавку порядка атто-грамм или 1×10⁻¹⁸ доли процента (0,000000000000000001%), однако эта разница в массах присутствует и может быть объективно-измерена в лабораториях.

Этот пример показывает нам, что масса – это не характеристика количества материи в объекте. В повседневной жизни мы просто не замечаем разницы.

Для того, чтобы среди физиков не возникало недопониманий, современная наука оперирует понятием «масса покоя» или «инвариантная масса», то есть – масса недвижимого объекта. Само слово «покоя» часто не произносят, но когда говорят о массе, всегда подразумевают «массу покоя», так как только о данной величине все независимые наблюдатели из любой системы отсчёта смогут договориться (по аналогии с тем, как пространственно-временные интервалы между событиями являются единственной объективной характеристикой, о которой могут договориться независимые наблюдатели).

Из классической ньютоновской механики мы знаем, что полная энергия движущегося объекта растёт, что выражается формулой кинетической энергии E = mv²/2, путём нехитрых преобразований мы можем получить понятие релятивистской массы – массы движущегося тела:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Таким образом, релятивистская масса является коэффициентом пропорциональности между импульсом и скоростью тела:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Поскольку импульс тела так же вносит свой вклад в полную энергию (и релятивистскую массу), полная версия уравнения Эйнштейна выглядит следующим образом:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Определённая таким образом масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же в любой системе отсчёта. Если мы согласимся считать скорость в единицах скорости света, то данную формулу в специальной теории относительности можно упросить до:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Как видно из приведённых формул, релятивистская масса тела растёт с увеличением скорости. Как следствие — по мере приближения к скорости света потребуется всё большая и большая сила для дальнейшего увеличения скорости. Релятивистская масса стала бы бесконечно большой при достижении этого порога, что так же означает, что до придания телу такой скорости, потребуется бесконечно большое усилие.

В общей теории относительности всё ещё больше усложняется, но для нас сегодня m в формуле E = mc² означает массу покоя. Полную же массу можно считать индикатором того, насколько сложно будет придать объекту ускорение, либо какое гравитационное воздействие будет испытывать данный объект.

Вернёмся к примерам, вот ещё один: как только вы включите фонарь, его масса немедленно начнёт уменьшаться. Свет, который исходит от фонаря, уносит энергию, которая ранее была запасена электрохимическим образом в батарее и добавлялась к полной массе фонаря. Наше солнце – в принципе, тот же фонарь, только огромных размеров. Оно теряет около 4 миллионов тонн массы каждую секунду и только его огромные размеры спасают нас от гибели в холоде и тьме, потому что эта масса – лишь 1×10⁻²¹ доля полной массы Солнца (за почти десять миллиардов лет своего существования, Солнце истратило лишь 0,07% своей массы).

Так что же означают слова, что солнце преобразует массу в энергию? Речь не идёт ни о какой алхимии. Вся энергия солнечного света – результат преобразования иной формы энергии – кинетической и потенциальной энергии частиц, из которых состоит наше Солнце. Те 4 миллиона тонн, которые теряет наше Солнце – лишь результат уменьшения потениальной и кинетической энергии частиц, из которых оно состоит.

Всё, что мы взвешиваем на весах – лишь энергия частиц, мы просто никогда этого не замечали.

Ещё пример: представьте, что вы стоите с фонариком в руке внутри закрытого ящика с зеркальными стенками, который, в свою очередь, стоит на больших весах. Уменьшится ли показание весов, если включить фонарик? Ответ – нет, не уменьшится. Хотя масса фонаря и уменьшится, масса всего ящика останется неизменной, так как энергия фотонов, которые покинули фонарик, не покинет пределы ящика, и хотя у фотонов масса покоя отсутствует, их энергия включается в массу покоя ящика.

В каждом из рассмотренных примеров целый объект имел большую массу, чем масса его составных частей, но в начале этого поста было сказано, что масса атома водорода меньше, чем сумма масс протона и электрона, из которых он состоит. Почему так?

Потому что потенциальная энергия может быть и отрицательной. Давайте обозначим потенциальную энергию протона и электрона, находящихся бесконечно далеко друг от друга за нулевую. В силу того, что они притягиваются друг к другу, чем меньше между ними расстояние, тем меньше будет их потенциальная энергия (точно так же, как потенциальная гравитационная энергия уменьшается по мере приближения к поверхности земли). Если они сблизятся до размеров атома водорода, их потенциальная энергия меньше нуля. Хотя электрон в атоме водорода и обладает ещё кинетической энергией, так как он движется вокруг протона, суммарная энергия системы протон-электрон всё равно будет отрицательной, а следовательно, согласно нашей формуле m = E/c² будет так же меньше нуля.

Именно поэтому масса атома водорода меньше, чем сумма масс его составных частей. На самом деле, масса любого атома в периодической таблице будет меньше, чем сумма масс протонов, нейтронов и электронов, из которых они состоят.

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

То же самое касается и молекул. Молекула кислорода O₂ весит меньше, чем два отдельных его атома, так как суммарная потенциальная и кинетическая энергия этих атомов становится меньше нуля, когда они образуют химическую связь друг с другом.

А что насчёт самих протонов? Они состоят из частиц, называемых кварки, и их суммарные массы примерно в 100 раз меньше массы протона. Так откуда же у протона масса? Она «добирается» из глюонов (или, если упрощённо – потенциальной энергии кварков).

Откуда же берётся масса элементарных частиц (электронов или кварков)? По крайней мере в стандартной модели физики частиц, у них нет составных частей (поэтому они и называются элементарными). С определёной точки зрения (и точки зрения до-Эйнштейновской физики), их массы элементарны, однако, и об их массе можно судить, как о некоей форме потенциальной энергии. Например, можно рассматривать их массу, как потенциальную энергию взаимодействия электронов и кварков с полем Хиггса, а так же с электрическими полями, которые они сами же и порождают, либо, в случае с кварками – потенциальная энергия взаимодейтсвия с их глюонными полями.

Даже классический пример так называемого «преобразования массы в энергию» – аннигиляцию материи и антиматерии концептуально сводится к тому же преобразованию одного вида энергии к другому, и вам не требуется алхимия по преобразованию массы в энергию для его объяснения.

Основная идея данного поста в том, что масса – понятие виртуальное. Это всего лишь свойство, свойство, которое проявляет энергия, поэтому некорректно думать, что масса может являться мерой количества материала в том или ином объекте, на самом деле, это характеристика количества энергии, которой данный объект обладает. Значение именно этой характеристики мы получаем, когда взвешиваем тот или иной объект.

Показать полностью 5
77

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света

Продолжение. Часть 1, часть 2.


В первой части своего повествования, я упомянул как аксиому тот факт, что скорость света постоянна и не зависит от системы отсчёта, однако, не рассказал, зачем вообще нашей вселенной понадобилось ограничивать максимальную скорость передвижения. Данный пост я хочу посвятить исключительно ответу на вопрос


ЗАЧЕМ ВСЕЛЕННОЙ СКОРОСТЬ СВЕТА И ПОЧЕМУ СВЕТ ЗДЕСЬ НИ ПРИ ЧЁМ?


Имеет ли скорость света какое-либо отношение собственно к свету? Что же делает скорость света такой «специальной», почему мы наблюдаем такой «Вселенский» заговор, препятствующий всем фотонам (да что там фотонам – чему угодно!) перемещаться быстрее, чем предельные 299 тыс. км/с?


Ответ — данное утверждение ложно. Вернее оно перевёрнуто с ног на голову. Вселенная не устроена так, чтобы поддерживать скорость света постоянной, в действительности пространству-времени наплевать на свет, оно и сейчас расширяется быстрее скорости света и при этом ещё и продолжает ускоряться. Вселенское ограничение скорости имеет более глубокие корни.


В предыдущем посте я уже затронул причинность при рассказе о пространственно-временных интервалах. Причинно-следственные связи — это единственное, о чём могут договориться любые наблюдатели, находящиеся в любой системе отсчёта.

Но почему у причинности имеется максимальная скорость? И почему эта скорость случайно совпадает со скоростью света в вакууме?


Давайте разбираться, и начнём мы издалека, с 1632 года, когда Галилео Галилей предстал перед судом Святой Инквизиции за его поддержку в своей книге идей Коперника о гелиоцентрической системе мироустройства. Однако, кроме всего прочего, в своей книге Галилей так же упомянул «принцип относительности», который его словами звучал примерно так:

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Галилео заявлял, что не только нет никакого особенного места, но и нет никакой особенной скорости, которая могла бы повлиять на исход «механического эксперимента» в системе, которая движется прямолинейно и без ускорения. Это одно из великих предвидений Галилея было позднее кодифицировано другим гигантом — Исааком Ньютоном в своих «законах».


Перенесёмся на 200 лет позднее для того, чтобы встретить ещё одного героя нашего рассказа – Джеймса Кларка Максвелла, который умудрился вплести эти законы в 4 уравнения, элегантно описывающие весь феномен электромагнетизма.


К концу 19 века у нас были законы Ньютона, уравнения Максвелла, ещё несколько теорий, и общее ощущение того, что физика закончилась и вселенная познана... кроме двух маленьких проблемок — первые намёки на квантовую природу Вселенной и небольшую сумятицу, которые уравнения Максвелла внесли в Галилееву относительность. Вообще, и Ньютонова механика негласно опиралась на предположение, что скорость света бесконечно велика, а если бы это было действительно так, то это повлекло бы весьма серьёзные осложнения, однако, давайте разберёмся с уравнениями Максвелла, вот они:

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Эти уравнения настолько значимы, что отлиты в бронзе на его памятнике. Не пугайтесь, примерный смысл этих уравнений выражается следующим образом:


1. Электрический заряд является источником магнитной индукции (теорема Гаусса).

2. Магнитный заряд отсутствует (теорема Гаусса для магнитной индукции)

3. Изменение магнитной индукции порождает вихревое электрическое поле (закон индукции Фарадея)

4. Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле (закон Ампера - Максвелла).


Тот перевёрнутый треугольник называется "набла" - это просто индикатор особой операции, чуть сложнее, чем операторы + или —.


Но будем проще. Позовём наших друзей, Алису и Бориса, которые путешествуют на железнодорожной платформе. При этом Алиса ещё катается на скейте... и она электрическая, нам ведь нужно что-то электрически-заряженное, чтобы генерировать магнитное поле. Выглядит это как-то так:

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Перемещаясь по платформе, Алиса генерирует магнитное поле, и мы, зная уравнения Максвелла, можем посчитать силу данного поля, зная полную скорость Алисы (v1 + v2). Мы так же можем прямо измерить эту силу при помощи физического эксперимента.


Борис — кот учёный и тоже умеет считать. Наблюдая за перемещениями Алисы со скоростью v1 он так же посчитает силу магнитного поля... и что-то не сходится. Очевидно же, что сила магнитного поля, которое генерирует Алиса, одна и та же. Мы измеряем не само поле, а его эффект — силу Лоренца — зависимый от скорости баланс между электрическим и магнитными полями. Оба поля работа работают, чтобы создать эту силу (полная сила электромагнитного поля на движущийся со скоростью v заряд q, в которую вносит свой вклад как электрическое Е, так и магнитное B поля:


F = q(E + [v × B])


Причём, сила эта не зависит от системы отсчёта. Это наводит нас на мысль о том, что электромагнитная сила каким-то образом связывает скорость и пространство-время. Как же нам выявить эту связь? Борису и нам нужна какое-нибудь волшебное преобразование, позволяющее переводить уравнения Максвелла из одной системы отсчёта в другую.


Таким примером могло бы служить Галилеево преобразование, которое просто говорит о том, что скорости складываются, а пространство и время не зависят от скорости. То же самое преобразование использует Ньютоновская механика, и мы только что применили их для преобразования уравнений Максвелла к скорости Алисы.


x' = x – vt


Но внезапно оказалось, что к уравнениям Максвелла нельзя применить Галилеево преобразование таким образом, чтобы они выдавали непротиворечивые результаты, иными словами они НЕ ИНВАРИАНТНЫ!


Вроде бы они и выдавали правильные значения для низких скоростей, но приводили в полный хаос векторные составляющие полей, а для высоких скоростей эти значения... нет, просто забудьте о высоких скоростях! Физика совсем поломалась!


После преобразований, линии напряжённости магнитного поля будут выглядеть как-то так:

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Так что же, Максвелл был неправ? Нет, как выяснилось, неправ был Галилей.


Преобразования, на которых работала Ньютоновская механика, были неправильными. Единственные работающие преобразования, были Лоренцевы (о них я рассказывал в первой части), но до сего момента они были чуть больше, чем некая математическая абстракция для преобразования поворота в четырёхмерном пространстве (к слову, к современному виду их привёл французский математик Анри Пуанкаре за 5 лет до Эйнштейна в 1900 года, который об этой работе не знал и сделал то же самое лишь в 1905).


Лоренцевы преобразования были известны задолго до Эйнштейна. Кому интересно узнать больше, на Википедии есть хорошая статья про то, как их можно вывести самостоятельно в домашних условиях.


Вкратце, история сводится к следующим логическим выкладкам:


Давайте честно признаем, что сложение скоростей (v1 + v2) не работает! Необходимо другое преобразование!


Законы физики работают неизменно, вне зависимости от положения, ориентации или скорости. Нам абсолютно не важно, где находится Алиса, в каком направлении, и с какой скоростью она движется. Это должно быть так — Земля вертится вокруг своей оси, вращается вокруг Солнца, Солнце вращается вокруг центра Млечного пути, наше положение, ориентация и скорость меняются кардинальным образом, в зависимости от нашей точки зрения, но наши физические эксперименты выдают одни и те же результаты, несмотря на это.


Теперь давайте сделаем ещё одно смелое предположение — что Вселенная устроена логично!


Добавим так же требование, что нам постоянно необходимо делать преобразования между разными системами отсчёта туда и обратно и получать непротиворечивые результаты — мы должны иметь возможность пройти путь преобразований при переходе из в системы отсчёта Алисы к системе отсчёта Бориса, затем – в нашу систему отсчёта, откуда мы их наблюдаем, а затем повторить весь путь назад к Алисе и получить те же результаты, с которых мы начали, при этом изменяя лишь один параметр — скорость.


И наконец, добавим ко всему этому щепотку алгебры — получим преобразования Лоренца. Единственное преобразование, которое отвечает всем нашим требованиям!


Эйнштейн заподозрил, что поскольку данные преобразования столь хорошо справляются сзадачей, возможно, они описывают некие фундаментальные законы самой природы пространства-времени, природы нашей реальности.


Однако, в формуле преобразования Лоренца присутствует некая константа c, значение которой нам неизвестно.

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Физический смысл этой константы – вселенский скоростной предел. Почему? Потому что без неё константы, преобразования Лоренца бы попросту не работали, данная константа — необходимый элемент формулы преобразования, без которого обойтись невозможно. Преобразования Галилея — это лишь частный случай преобразований Лоренца, гдс c = ∞. И действительно, с точки зрения симметрии и относительности, константа c действительно могла бы быть бесконечной.


При помощи преобразований Лоренца, наконец, позволили получить инвариантные версии уравнений Максвелла (согласованное значение для магнитного поля Алисы, вне зависимости от системы отсчёта: нашей, Бориса, либо её собственной), без них, мы бы не смоли дать описания законам электромагнетизма — это стало ещё одним подтверждением того, что данные преобразования корректно описывают окружающую нас действительность.


Однако, не любое значение константы с нам подойдёт. Данное значение должно быть комбинацией значений фундаментальных констант в уравнениях Максвелла, иными словами, для того, чтобы электрические законы и законы магнетизма работали, нам так же необходимо ограничение — совершенно определённое значение константы c в формуле преобразования Лоренца.


Так что же это за значение? Да можно просто найти его комбинируя результаты физических экспериментов с электромагнитными полями, а затем — применять к этим значениям преобразования Лоренца туда и обратно с разными значениями с. Когда после преобразования из одной системы отсчёта в другую и обратно результаты совпадут с исходными, это и будет требуемым нам значением. Но подождите... ВНЕЗАПНО оказывается, что значение, которое мы нашли, в точности совпадает с измеренной скоростью распространения электромагнитных волн — скоростью света.


Ещё со времён Ньютона мы знаем, что масса обременяет движение, если же у чего-либо отсутствует масса, то нет и никаких препятствий двигаться настолько быстро, насколько это вообще возможно. Фотоны, гравитационные волны, глюоны — всё, что не имеет массы движется в нашей Вселенной с максимально-возможной скоростью. Соответственно, и для передачи информации (взаимодействия) между двумя уголками Вселенной, максимальной скоростью будет являться скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.


Иными словами, скорость света, это максимальная скорость распространения причинно-следственных связей — скорость причинности.


Взгляните на рисунок — это трёхмерное представление уже знакомой нам диаграммы Минковского. К нашему настоящему моменту (красная стрелка показывает наблюдателя) из прошлого сужается воронка — наш «световой конус прошлого». На наше текущее настоящее может повлиять только событие, которое попадает в рамки данного конуса — этот конус — наш «горизонт событий». В будущее воронка расходится и включает в себя все события, на которые мы в состоянии повлиять из настоящего момента. Если событие находится за пределами нашего светового конуса, то причинно-следственной связи между такими событиями быть не может.

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Интерпретация Эйнштейном ФИЗИЧЕСКОГО СМЫСЛА преобразований Лоренца и дала нам Специальную Теорию Относительности, установив фундаментальную связь между пространством и временем.


Так что бы было, если бы не было этого Вселенского ограничения скорости? Если мы оставим значение c = ∞ (сейчас речь о константе c в преобразованиях, а не о скорости света), то не было бы и массы, так как на создание какой-либо массы потребовалось бы бесконечное количество энергии (E = mc²), во вселенной существовали бы только безмассовые частицы, перемещающиеся на бесконечной скорости.


Существование самого пространства-времени было бы невозможным – с бесконечным замедлением времени и сокращением расстояний до нуля, между событиями отсутствовали бы причинно-следственные связи (вернее, любое бесконечно-удалённое и бесконечно-давнее событие могло бы повлиять на любое событие в бесконечном будущем и наоборот), был бы вселенский хаос — безвременной танец безмассовых частиц в вечном «здесь и сейчас».


Разумеется, мы не могли бы существовать в подобном парадоксе. Для возникновения нашей Вселенной, ей просто необходимо было ограничить максимальную скорость причинно-следственных связей, иначе она попросту не могла бы возникнуть и существовать .


В следующей части мы поговорим об эквивалентности массы и энергии и об истинном смысле формулы E = mc².

Показать полностью 6
64

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца

В ходе ряда обсуждений в комментариях здесь, я встречал довольно дикие представления и заблуждения о теории относительности, поэтому подумал, что стоит кратко изложить основные её положения, и постараться при этом избежать по возможности формул и заумных терминов, чтобы не отпугнуть пытливые умы от этой темы.


Сразу оговорюсь, что данный пост не ставит перед собой целью изложить, разжевать и объяснить всё (всего не знал даже Эйнштейн). Моей целью по большей части является пробуждение интереса к этой теме.


С определённой точки зрения, можно сказать, что физика это наука о движении. Она изучает движения планет и звёзд, движение электронов и протонов, движение молекул вещества и свойства, которые проявляет материя в результате этого движения. Роль теории относительности в этом всём - изучение того, как данное движение наблюдается с разных точек зрения. Есть, строго говоря, две теории относительности - специальная и общая. Разница лишь в том, что в специальной теории рассматривается лишь ограниченный (специальный) набор таких точек зрения.


Возьмём, например, Луну. Мы находимся на Земле, и нам кажется, что Луна движется по дуге от горизонта до горизонта.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Если же посмотреть со стороны, но не сильно удаляясь от Земли, то мы увидим, как Луна вращается вокруг Земли.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Если мы посмотрим со стороны Солнца, то окажется, что Луна движется по спирали:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Так есть ли какая-нибудь одна, самая правильная точка зрения? Одна из целей специальной теории относительности (СТО) является поиск ответа на данный вопрос.


На самом деле вопросов всего 2:

1) Что МЕНЯЕТСЯ, когда изменяется точка зрения?

2) Что НЕ ИЗМЕНЯЕТСЯ, когда это происходит?


Как уже было показано на примере орбиты Луны, в зависимости от выбора точки зрения, картинка, которую мы можем наблюдать, будет весьма разной, поэтому ответ на первый вопрос кажется очевидным. Что же касается второго вопроса – давайте разбираться.


Если мы будем наблюдать достаточно долго, то заметим, что вне зависимости от выбранной нами точки зрения, относительное расстояние между Землёй и Луной остаётся неизменным. Ага! Значит, это расстояние – фундаментальное свойство системы Земля-Луна, а не артефакт нашей точки зрения, откуда бы мы не проводили наблюдения, расстояние между Землёй и Луной всегда будет одним и тем же!


Этот пример показывает одну из основных задач теории относительности – поиск истины, того, что не меняется при смене точки зрения, поиск универсальных фактов, которые остаются неизменными при любых обстоятельствах.


Определившись с целью, теперь необходимо подобрать подходящий «инструмент» – способ описания движения и изменений, которые происходят при смене точки зрения (или отсчёта, как принято говорить), поэтому начать предлагаю с пространственно-временных диаграмм.


Хотя теория относительности и изучает по большей части движение, давайте начнём с неподвижных объектов


Все наверное в курсе, как применить координатную сетку для нахождения координат собаки по отношению к дому. Мы можем определить смещение по обеим осям от дома и найти координаты (14;17):

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Однако, эти координаты – не универсальный факт. В зависимости от того, как мы наложим координатную сетку, данные координаты могут существенно измениться:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Думаю, понятно, что от смены начала координат и ориентации (смены точки отсчёта) мы можем добиться того, чтобы у нашей собачки были абсолютно любые координаты, какие захотим. Таким образом, мы говорим, что ПОЛОЖЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ОТНОСИТЕЛЬНО.


Давайте выпустим вторую собачку и рассмотрим расстояние между ними. Очевидно, что как бы мы не изменяли точку отсчёта и ориентацию системы координат, расстояние между ними никак не изменится. Иными словами РАССТОЯНИЯ АБСОЛЮТНЫ.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Сами того не ведая, мы только что произвели 2 преобразования: трансляцию и поворот:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Однако, если нам будет позволено растягивать или сжимать шкалу, по которой мы производим измерения, то внезапно окажется, что число, выражающее расстояние между объектами так же может измениться:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Так никуда не годится! Нам нужно что-то для сравнения, эталон длины, с которым можно сравнить дистанцию между собачками, чтобы уже точно знать, какое между ними расстояние. Наиболее очевидный способ измерить расстояние – это измерить его в попугаях:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Когда мы сообщаем свои координаты, мы обязательно должны сообщить так же единицу измерения – тот эталон, с чем необходимо сравнивать (градусы, метры, попугаи, световые годы). Однако, какую бы единицу измерения мы не применили, очевидно, что измеренная в этих единицах дистанция будет всегда сохраняться неизменной.


Теперь, когда у нас появилось что-то для сравнения, мы можем сказать следующее ОТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ДЛИНАМИ АБСОЛЮТНО.


Далее, по ходу изложения, я не буду употреблять какие-либо конкретные единицы измерения, так как очевидно, что это не принципиально. То же самое будет касаться единиц времени: это по вашему желанию могут быть секунды, годы или века.


Вернёмся к движению – чтобы показать график движения мы будем применять диаграммы, где по горизонтальной оси откладывается расстояние (обозначено x), а по вертикальной – временные интервалы (обозначено t).


Так, диаграмма покоя относительно начала координат и диаграмма движения будут выглядеть следующим образом:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

К этому стоит немного адаптироваться, так как обычно принято отображать шкалу времени по горизонтали. На диаграмме не показано перемещение собачки в двух измерениях, мы наблюдаем только одно пространственное измерение и одно временное.


Собственно, мы только что заново изобрели диаграмму пространства-времени, которую в 1908 году предложил немецкий математик Герман Минковский, причём, наша собачка отображена в двумерном представлении так называемого «пространства Минковского».


Предположим, мы задались целью, проследить, как перемещается наша собачка (пусть будет Алиса) по нашему двору. Каждый момент времени мы отмечаем её положение и строим, таким образом, её мировую линию, где в каждый момент времени у нашей Алисы есть временная координата t и пространственная координата x.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Мы использовали только одно пространственное измерение (x) исключительно для упрощения и наглядности, так как для двух измерений нам бы пришлось использовать уже трёхмерный график. К сожалению, для того, чтобы построить мировую линию в трёхмерном пространстве, нам понадобилось бы самим находиться в 4-м пространственном измерении, что пока невозможно.


Следует просто иметь в виду, что полные координаты объекта в нашем, четырёхмерном пространстве-времени записываются при помощи 4-х координат (t;x;y;z). Думаю, это тоже очевидно любому, кто хоть раз назначал встречу – мы должны договориться о времени (t) и о месте её проведения (x;y;z).


Давайте посмотрим на друга Алисы – Бориса, который убегает от неё со скоростью примерно 1 м/с. Как мы уже выяснили, дистанция не зависит от точки отсчёта, при этом, дистанция  между ними в каждый момент времени сохраняется при переходе от точки отсчёта Алисы к точке отсчёта Бориса:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

И вот мы подходим, наконец, к одному из фундаментальных принципов теории относительности – отсутствию предпочтительной системы отсчёта.


Действительно, давайте взглянем на эти графики ещё раз. Имея только эту информацию перед глазами, можем ли мы сказать о том, кто из наших питомцев находится в движении, а кто – стоит на месте? При отсутствии иных фактов с уверенностью можно сказать лишь одно – расстояние между ними увеличивается каждый момент времени.


Но если мы и дальше хотим работать с диаграммами пространства-времени, нам, наверное, понадобится какое-либо иное преобразование, отличное от трансляции и поворота, так как ни трансляция, ни поворот не смогут трансформировать левую диаграмму – в правую, хотя нам очевидно, что обе диаграммы показывают одну и ту же ситуацию. Нам нужно преобразование, которое сохраняло бы не только пространственные дистанции между объектами, но и временные интервалы.


Давайте попробуем преобразовать точку зрения Алисы в точку зрения Бориса. На таких малых скоростях, мы можем это сделать интуитивно при помощи трансформации сдвига (взять каждую точку на диаграммы Алисы и сдвинуть влево, чтобы координаты Бориса оставались бы неизменными.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Однако здесь нам следует остановиться и вспомнить второй постулат специальной теории относительности, который гласит:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Получается, вместе со сдвигом нам необходимо ещё сжимать или растягивать мировые линии таким образом, чтобы скорость света была неизменной в любой трансформации.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

На помощь нам приходят преобразования имени голландского физика Хендрика Лоренца.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Оранжевой пунктирной линией показана мировая линия луча света, скорость которого сохраняется вне зависимости от выбора точки отсчёта. В формуле мы видим букву v, которая обозначает скорость, а это значит, что скорость движения объекта сильно изменяет саму координатную сетку, в которой "живёт" движущийся объект.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Поскольку скорость света является фундаментальной константой, которая всегда одна и та же, на пространственно-временных диаграммах принято по пространственной оси х откладывать шкалу в масштабе световых единиц длины (световая секунда, минута, год), иными словами – расстояние, которое свет проходит за указанную единицу времени.


Таким образом, мировая линия луча света на диаграммах, построенных по такому принципу, всегда находится под углом 45 градусов к базовым осям.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Визуально преобразование можно представить как сжатие диаграммы вдоль одной мировой световой линии и одновременное растяжение вдоль перпендикулярной. На анимации ниже видно, как происходит трансформация точки зрения Алисы (красная мировая линия) в точку зрения Бориса (зелёная мировая линия) и обратно, если предположить, что скорость, на которой они удаляются друг от друга со скоростью в 50% скорости света:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Диаграммы Минковского позволяют визуализировать и интуитивно разбирать сложные концепции специальной теории относительности и бесценны для её понимания.


А о том, что со всем этим делать дальше, я напишу в следующем посте.

Показать полностью 18
1356

Путешествуем по космосу с ускорением 1g

Намедни в сообществе был опубликован пост про межгалактические путешествия

http://pikabu.ru/story/vozmozhen_li_mezhgalakticheskiy_turiz...

Автору поста @Nekripssa в комментариях напомнили, что время полёта для межгалактических путешественников будет сокращаться тем эффективнее, чем ближе их скорость к скорости света, не все поняли эту идею, и даже пост нескольколетней давности

http://pikabu.ru/story/razgonyaemsya_do_pochtiskorostisveta_...

сомневающимся не помог. И вот я решил наконец сделать то, что всё откладывал на потом - вбить в Excel формулы из статьи Википедии "Релятивистски равноускоренное движение" и посчитать гипотетический полёт космолёта, который стартует от Земли и улетает от неё с комфортным для человека ускорением g = 9.8 м/с2.


Результаты расчётов получились настолько любопытными, что я решил запилить отдельный пост, который и представляю вашему вниманию. Надеюсь, что я нигде не ошибся в расчётах, что подтверждается совпадением с числами (из книги 1970 года), которые представлены в другой вики-статье "Межзвёздный полёт".


Сразу оговорюсь - с точки зрения существующих у человечества космических двигателей всё нижеописанное (то есть тяга 1g длительностью в годы), увы, фантастика. Но помечтать о таких вещах, которые напоминают наши земные условия в смысле динамики/ускорения, мне кажется, полезно, чтобы просто почувствовать, насколько любопытно наше с вами пространство: при малых скоростях оно кажется нам линейным в пространственном и временном смыслах, но при околосветовых скоростях начинаются натуральные чудеса.


Итак, мы летим на нашем космолёте в сторону выбранной звезды/галактики с ускорением g. При этом мы испытываем вес, равный привычному нам земному, и значит мы даже в отсутствие специальных тренажёров уберегаем себя от опасности "эффекта Николаева" - фатальных последствий длительного пребывания человеческого организма в невесомости.


Если бы ускорение с точки зрения неподвижного наблюдателя было линейным, то с ускорением g мы бы набрали скорость света чуть менее чем за 1 год. Но поскольку речь идёт о постоянном ускорении лишь с точки зрения космонавтов, то с неподвижной точки зрения чем ближе скорость приближается к скорости света, тем ускорение становится меньше.


Через один "неподвижный" год после старта корабль разгонится до скорости 215 тыс. км/с (72% от скорости света), а на самом корабле к тому моменту пройдёт 0.88 года, то есть почти на полтора месяца меньше, чем 1 год. К тому моменту корабль преодолеет 0.42 "неподвижных" световых года.


Через ещё один "неподвижный" год скорость корабля дорастёт до 270 тыс. км/с (90% скорости света), у путешественников пройдёт 0.55 года, и общее время путешествия составит 1.43 года. Они будут уже в 1.25 световых годах от Земли.


И так далее - чем ближе путешественники с неподвижной точки зрения к скорости света, тем сильнее замедляется бортовое время. Через 10 "неподвижных" лет после старта скорость корабля почти дорастёт до скорости света (99.5%), а бортовые часы покажут время полёта 2.94 года. Космолёт будет уже на расстоянии 9.08 световых лет, и далее каждый "неподвижный" год добавляет длине путешествия почти 1 световой год, а бортовое время всё более замедляется: например с 10 до 11 лет на Земле пройдёт год, а на корабле - только 1 месяц.


Через 100 "неподвижных" лет (когда, к слову, умрут все земные современники наших космонавтов) на борту пройдёт 5.17 года (расстояние = 99.04 световых года), через 3000 лет (толщина Млечного пути) - 8.46 бортовых года, а через 100000 лет (диаметр Млечного пути) - 11.86 бортовых года.


Только представьте себе, что при всех немыслимых космических расстояниях вы, пусть теоретически, могли бы в течение своей жизни успеть слетать до любой звезды, которую вы видите на ночном небе. Вообразите себе, насколько хитрая матрёшка - наше пространство, которое так спокойно сжимается в сторону вашего ускорения. И ведь никаких диких ускорений и времён - всё сообразно нашим земным условиям.


Ну вот, скажем, Полярная звезда - 430 световых лет. Половину расстояния мы разгоняемся за 6 бортовых лет, половину расстояния - тормозим тоже за 6 лет, затем обратная дорога, итого дорога туда-сюда займёт 24 бортовых года. Да, Землю мы узнаем с трудом, ведь на ней пройдет 860 лет, зато привезём потомкам прикольные фоточки Полярной звезды и её спутников, а они повеселятся (если ещё будет кому веселиться) с наших фотоаппаратов и престарелой техники.


Напоследок, чтобы всё это не осталось голым текстом, давайте я приведу несколько графиков.


Первый график - зависимость бортового времени от "неподвижного" времени:

Путешествуем по космосу с ускорением 1g Космос, Космический корабль, Теория относительности, Научная фантастика, Астрономия, Вселенная, Длиннопост

Как видно, нижняя ось сама напросилась в логарифмический масштаб, и график получился почти линейным (k - тысяч, M - миллионов, G - миллиардов; расстояние в световых годах немного не совпадает с нижней осью, но мы этим пренебрегаем). Этак если фантазировать, то и всю Вселенную пересечь уже не такая проблема (правда, я смутно представляю, что астрофизики думают про "края" Вселенной и линейность этого процесса).


И ещё один график - динамика разгона до скорости света:

Путешествуем по космосу с ускорением 1g Космос, Космический корабль, Теория относительности, Научная фантастика, Астрономия, Вселенная, Длиннопост

Ну тут всё ожидаемо - вначале почти линейный разгон, а потом - асимптотическое приближение к скорости света.

Показать полностью 2
290

О нашем мире, просто и интересно. Геометрия времени.

Если вы хоть раз слышали о теории относительности, то вы наверняка знаете, что в ней идет речь о замедлении времени с увеличением скорости движения в пространстве, что было подтверждено многими экспериментами с использованием реактивных самолетов, ракет, космических баз. Также вы наверняка могли слышать слова «время – четвертое измерение». Мы разберемся в том, насколько время можно считать измерением во второй главе, а сейчас поговорим о самом главном и практически применимом постулате теории относительности. Представим, что на равнине идут гонки. Есть прямая асфальтированная трасса длиной в километр. Как и везде, есть линия старта и линия финиша, а жюри сидит в стороне от трассы. Две машины одновременно стартуют из одной точки, и одна из них приходит к финишу первой. Но второй пилот подает протест – он просит сравнить показания спидометров во время всего заезда, и оказывается, что обе машины ехали все время с одинаковой скоростью! Как же тогда он мог проиграть? Но Жюри отклоняют протест – с их точки зрения машины двигались по прямой от старта до финиша с разными скоростями, и пришли к старту в разное время.

Проблема действительно заключается в пилоте второй машине. Он немного свернул с курса, и ехал не по прямой до финиша, а еще немного в сторону, можно сказать, по диагонали. Тогда его скорость разделялась между двумя направлениями: «вперед» и «направо».

О нашем мире, просто и интересно. Геометрия времени. Вселенная, Космос, Четвертое измерение, Время, Теория относительности, Длиннопост

С точки зрения жюри, которое видело скорость только «вперед», скорость второй машины действительно была ниже.

О нашем мире, просто и интересно. Геометрия времени. Вселенная, Космос, Четвертое измерение, Время, Теория относительности, Длиннопост

Согласно теореме Пифагора, общую скорость машины (V) можно связать со скоростью «вперед» (F-forward) и скоростью вправо (R-right) следующим образом: V2=F2+R2 (я не нашел тут надстрочные индексы, двойки обозначают квадраты. Пусть скорость обеих машин была рана 10 км/ч. Если второй пилот очень сильно ошибся, то его скорость можно было бы разложить на два измерения как 102=82+62. То есть, с точки зрения жюри, вторая машина ехала со скоростью 8 км/ч, а с точки зрения водителя, со скоростью 10 км/ч.

Точно такая же формула используется и для трех измерений: пусть есть еще скорость «вверх» (U-up). Тогда V2=F2+R2+U2. Заметим, что любые из этих скоростей можно объединить в их суммарную скорость в двух измерениях. Например, скорость вправо и вперед можно объединить в одну скорость по плоскости (P-plane) (в случае, где они равны соответственно 6 и 8 км/ч, скорость по плоскости будет равна 10 км/ч). Тогда можно представить эту формулу в виде V2=F2+R2+U2=P2+U2. Также можно объединить все три скорость, получив как раз скорость движения в пространстве, которая и будет равна V.


А теперь рассмотрим ситуацию, в которой есть 4 независимых измерения. Тогда в формулу прибавляется еще одна компонента: V2=F2+R2+U2+T2, где T – скорость во времени (в 4 измерении). Обобщим первые 3 скорости в одну (S-space), тогда V2=S2+T2. Мы получили очень интересное уравнение. Эйнштейн выразил предположение, что V фиксирована и равна скорости света. Это значит, что мы ОБЯЗАНЫ двигаться со скоростью света, но можем распределять ее по разным измерениям. Из этого предположения следует, что если мы стоим на месте (пространственная скорость равна нулю), то мы движемся во времени со скоростью света. Если же мы разгонимся до скорости света в пространстве, то T обратится в 0. Это будет означать, что время для нас перестанет идти. Вернемся к стандартным обозначениям общепринятой системы. Скорость света – с, пространственная скорость – V, скорость времени – t. Тогда получаем наше уравнение как c2=V2+t2. Немного преобразим его:


t2=c2-V2


t= √(c2-V2) – формула релятивисткого (relativity – относительность) замедления времени. Далее поделим обе части на скорость света:


t/c=√(1-V2/c2). Это не что иное, как коэффициент релятивиствого замедления, выведенный Эйнштейном. Если посмотреть его работы, данная формула была выведена из анализа поведения света в относительном движении между наблюдателями (использовались часы в виде движущихся зеркал, между которыми «прыгал» свет), здесь же она выведена из предположения о времени, как о четвертом и равноправном с первыми тремя измерением. Это основная формула теории относительности, проверенная многочисленными экспериментами.


Вы уже наверно заметили, что на протяжении всех рассуждений я говорил о времени, используя понятие его скорости, и во всех уравнениях время имеет размерность пространственной скорости. Конкретнее об этом странном определении времени было рассказано в первом посте, ну а сейчас речь пойдет о связи пространства и времени в их повседневном значении, где время измеряется часами, минутами и секундами.


Примем за стандарт длину измерять метрами, а скорость – секундами. Тогда если мы находимся в покое, время для нас идет со скоростью 1 с/с (авт. обозначение, секунда в секунду, где секунда в знаменателе равна секунде в состоянии абсолютного покоя). Если же мы движемся в пространстве со скоростью света, то время для нас идет со скоростью 0 с/с (из предыдущих уравнений). В общем случае, время будет идти со скоростью √(1-V2/c2) (этот факт до сих пор не был и не может быть опровергнут, по крайней мере из имеющихся у нас данных). Из этого свойста времени мы можем говорить, что скорость света не только абсолютна, но еще и ОБЯЗАТЕЛЬНА для каждого тела, и распределяется между его измерениями.


То есть, если скорость света обязательна для каждого тела, то 1 секунда (размерность временного измерения) равна 299 792 458 м/с (скорость света). Если мы движемся по пространству, мы можем достичь максимальной скорости света. Если мы движемся во времени, максимальная скорость равна 1 с/с. То есть, мы можем провести связь между пространственной и временной скоростью, ПРИРАВНЯХ их. Одному метру тогда будет соответствовать 1/299792458 секунда.


Что ж, давайте тогда представим себе тетра-куб (фигура, где все углы прямые и протяженность которой одинакова во всех четырех измерениях). Давайте построим куб с гранью, равной 1 км. Тогда нам необходима скорость течения времени в 1000/299792458. Такой куб можно построить, просто запустив его с огромной скоростью, которую легко высчитать из релятивисткого уравнения:


√(1-V2/(299792458)2) = 1000/299792458.


Если воспользоваться онлайн-калькулятором, получим, что эта скорость будет всего на 2 мм/с меньше скорости света. Тогда куб объемом 1 км, запущенный со скоростью, которая на 2 мм/с ниже скорости света, будет ПРАВИЛЬНЫМ во всех четырех измерениях. С помощью этого же способа можно вычислить, что если бы Земля была идеальной сферой, то, запустив ее со скоростью, которая на 371 км/ч ниже скорости света, была бы идеальна во всех четырех измерениях. Но для солнца эта система перестает работать, так как его радиус превышает 300 000 км. Этот парадокс будет рассмотрен позже, ну а вкратце, его решение основывается на том, что при составлении всех уравнений мы предполагали, что все длины во всех измерениях, а также скорости НЕОТРИЦАТЕЛЬНЫ. Возможность отрицательных скоростей будет рассмотрена гораздо позже.

Ну а в следующей статье будут другие теории о строении вселенной и дополнение нашего мира ПЯТЫМ измерением, и то, как его легко можно представить, и какую роль оно играет в нашем мире.

Показать полностью
Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: